潭東江特大橋鋼套箱圍堰氣囊浮運(yùn)施工技術(shù)

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主要介紹劍潭東江特大橋鋼套箱圍堰氣囊浮運(yùn)施工技術(shù)，該橋?yàn)橼M深鐵路的關(guān)鍵性控制工程，是目前國(guó)內(nèi)高鐵最大寬度的四線無(wú)砟軌道墩塔梁固結(jié)體系矮塔斜拉橋。由于橋址所處位置的上下游均設(shè)置有水閘，大型起重船無(wú)法進(jìn)場(chǎng)，鋼套箱下水難度大，經(jīng)過(guò)方案比選、優(yōu)化，最終采用分塊制作、現(xiàn)場(chǎng)拼裝、整體采用氣囊下水方式進(jìn)行施工，通過(guò)岸側(cè)卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引至安裝位置，注水安裝下放的方案。因避免使用大型船機(jī)設(shè)備，在節(jié)約施工成本上取得較好的效果。
         關(guān)鍵詞：贛深鐵路；鋼套箱；氣囊浮運(yùn)；施工技術(shù)
         1工程概況
         劍潭東江特大橋3#、4#主墩位于東江河道內(nèi)，施工水位H10%=13.18m，其中3#主墩承臺(tái)底面標(biāo)高+0.06m，距承臺(tái)底面13.12m，承臺(tái)基底為弱風(fēng)化花崗巖，鉆孔樁全部嵌入弱風(fēng)化花崗巖18m，4#主墩承臺(tái)底面標(biāo)高+2.34m，距承臺(tái)底面10.84m，承臺(tái)基底為淤泥質(zhì)黏土，鉆孔樁嵌入弱風(fēng)化花崗巖約7m。考慮基巖上覆蓋土層厚度不夠，鋼板樁圍堰工藝難以實(shí)施，因此選擇無(wú)底雙壁鋼套箱圍堰工藝，既能為承臺(tái)提供了干施工條件，又能作為樁基、墩柱、主塔的作業(yè)平臺(tái)。
         2鋼套箱結(jié)構(gòu)
         根據(jù)承臺(tái)尺寸及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，3#主墩鋼套箱圍堰設(shè)計(jì)頂標(biāo)高+15.18m，底標(biāo)高-1.94m，圍堰總高度17.12m，吃水深度15.12m。4#主墩鋼套箱圍堰頂標(biāo)高+16.88m，底標(biāo)高+0.34m，圍堰總高度16.54m，吃水深度14.45m。鋼套箱外尺寸為28.4m×40.4m，內(nèi)腔尺寸為26m×38m，壁厚1.2m。鋼套箱圍堰采用C30砼封底，封底砼厚度2.5m。

圖1  鋼套箱剖面示意圖（單位：mm；高程單位：m）
         鋼套箱由壁體及內(nèi)撐兩大部分組成。壁體主要由面板、分倉(cāng)板、橫肋、豎肋構(gòu)成，通過(guò)分倉(cāng)板將鋼套箱平均分成互不相通的隔倉(cāng)，以便注水下沉?xí)r調(diào)整鋼套箱的重心及豎直狀態(tài)。內(nèi)支撐布設(shè)3層，用型鋼構(gòu)成平面框架，與鋼套箱一起形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系，主墩作業(yè)平臺(tái)利用鋼套箱的第三層內(nèi)支撐作為承重梁。
         鋼套箱圍堰為全焊水密結(jié)構(gòu)，鋼套箱壁板、側(cè)板、底板、隔倉(cāng)的面板均采用δ10mm鋼板。內(nèi)外壁板的豎肋主要采用∠75×8mm角鋼，上半節(jié)間距50cm，下半節(jié)間距25cm，每隔6.0m設(shè)1道堅(jiān)向開(kāi)孔隔板作為加強(qiáng)豎肋，開(kāi)孔隔板采用δ10mm鋼板。鋼套箱底部設(shè)封底砼分倉(cāng)分隔板，分隔板高1.80m（底面距離壁體底板21cm，用于安裝封底托板），由腹板δ20mm鋼板和上、下翼板δ40mm鋼板組成，將封底砼分成6塊，內(nèi)壁和與封底砼接觸面設(shè)置3道止水鋼板（5cm寬δ8mm鋼板），以防止水沿砼與鋼板接觸面滲漏。鋼套箱設(shè)3層內(nèi)支撐，用型鋼構(gòu)成平面框架，第1、2層的縱、橫向支撐均采用φ800×12mm鋼管，第3層縱、橫均向支撐采用HN700×300mm型鋼，兼做作業(yè)平臺(tái)。
         為保證鋼套箱圍堰浮運(yùn)階段和下沉階段的穩(wěn)定，壁體設(shè)置10個(gè)隔倉(cāng)，為保持鋼套箱圍堰內(nèi)外水位平衡，在河側(cè)的壁體上設(shè)置1個(gè)聯(lián)通孔。
         3圍堰施工
         3.1鋼套箱加工
         受下游東江水利樞紐船閘通航能力制約，鋼套箱圍堰無(wú)法整體制作通過(guò)船閘水運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng)。為保證加工質(zhì)量，鋼套箱壁體在專業(yè)鋼構(gòu)件加工廠進(jìn)行分塊加工，檢驗(yàn)合格后，用車分批運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)拼裝。
         3.2鋼套箱拼裝
         鋼套箱選在主墩上游的約150m處的河灘上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝。對(duì)所選河灘進(jìn)行整平硬化處理后，搭設(shè)鋼套箱圍堰拼裝平臺(tái)，滑道采用C20砼硬化，厚度20cm。下滑坡道長(zhǎng)53.0m，坡比1:40。拼裝平臺(tái)立柱采用雙拼I32b工鋼，立柱設(shè)置間距4.5m，立柱間留出氣囊布設(shè)位置，墊梁采用I32b工鋼。
         拼裝前，在托板上放樣出壁板拼裝輪廓線，并在外側(cè)輪廓邊線上設(shè)置定位裝置，以控制鋼套箱的平面位置。
         鋼套箱分節(jié)逐塊拼裝，由100T履帶吊從短邊向兩側(cè)長(zhǎng)邊對(duì)稱拼裝，將壁板塊件吊起至安裝位置，下口通過(guò)定位碼子就位后，與定位碼子臨時(shí)焊接加以固定，通過(guò)測(cè)量?jī)x器校檢平面位置和垂直度，校達(dá)到要求后，壁板與底板、壁板間進(jìn)行焊接連接，最后進(jìn)行內(nèi)支撐安裝。
         3.3鋼套箱浮運(yùn)、安裝
         鋼套箱拼裝完成后，用橡膠氣囊頂起，卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引，利用滑道溜放下水。鋼套箱圍堰浮運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后，RTK定位，用平板駁及岸側(cè)地垅共同調(diào)位安裝。

圖2  鋼套箱出運(yùn)平面示意圖

         工藝流程：橡膠氣囊布設(shè)、掛上牽引拉索→橡膠氣囊充氣頂升、拆除拼裝平臺(tái)→卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引鋼套箱下水→浮運(yùn)鋼套箱至安放現(xiàn)場(chǎng)→靠平板駁及卷?yè)P(yáng)機(jī)定位→鋼套箱注水安放→掛上錨索固定鋼套箱→打開(kāi)水位孔、調(diào)節(jié)壁體內(nèi)水位。
         ①鋼套箱下水受力簡(jiǎn)算
         A.摩擦力的計(jì)算
         氣囊半徑R為0.5m，氣囊的接觸面的1/2寬為0.7m，氣囊的摩擦力為：Fm﹦2?N/d=2×0.0448×8000/0.8=896kN。
         B.滑道地基承載力驗(yàn)算
         氣囊個(gè)數(shù)為11組，D=1m，每組氣囊L=17m，每組氣囊承受的壓力為：8000/11/17=43kN/m。根據(jù)氣囊的參數(shù)指標(biāo)，氣囊的工作高度為0.8m，著地寬度為0.7m，則對(duì)地基的壓應(yīng)力為：43/0.7=62kPa。
         對(duì)滑道進(jìn)行壓實(shí)處理、硬化后滑道地基承載力≥110 kPa，滑道地基承載力滿足要求。
         C.牽引力的計(jì)算
         因?yàn)橄滤来嬖谄露?，鋼套箱重量在其作用下分解為坡面壓力和下滑力Fx= Q·sinα=8000×sin2.5°=352kN，因 Fx＜Fm 時(shí)，鋼套箱無(wú)法自動(dòng)下滑，需要牽引力。
         假定2組各4根鋼絲纜繩，需要的牽引力Fq=（Fm- Fx）/k·n=（896-352）/0.8/8=85kN。故需河對(duì)岸配備2臺(tái)10t卷?yè)P(yáng)機(jī)，牽引力可達(dá)到200kN，滿足要求。
         D.鋼套箱下水的制動(dòng)力
         鋼箱在下滑過(guò)程中，要對(duì)底下鋪設(shè)好的氣囊進(jìn)行充氣、調(diào)整，因此要求滑動(dòng)中的鋼套箱能夠及時(shí)停下來(lái)，這就需要使用牽引纜車來(lái)制動(dòng)下滑的套箱。其制動(dòng)力的大小取決于制動(dòng)時(shí)間T，一般取T=2～5秒，由于絞車的制動(dòng)時(shí)間很難有精確的計(jì)算數(shù)值，所以s取的越小，制動(dòng)力Fz較大，牽引系統(tǒng)較安全。Fz= Q·V/T=800×1000×（6/60）/3=26kN=2.6t，故采用2臺(tái)12T的卷?yè)P(yáng)機(jī)足以滿足制動(dòng)要求。
         E.滾動(dòng)氣囊數(shù)量的計(jì)算
         滾動(dòng)氣囊數(shù)量的選取主要取決于鋼套箱自身的重量，以及囊體與套箱底縱腫剖面處接觸的累計(jì)長(zhǎng)度，5m+12m氣囊組與套箱底縱腫剖面處接觸L1=13m。N = K1·Q/（R·L1）=1.3×8000/（230×13）=3.5，氣囊22個(gè)，安全富裕系數(shù)為6。
         F.前端浮起計(jì)算
         鋼套箱從前端入水至完全浮起包括兩個(gè)階段：前端入水至前端浮起階段；前端浮起至完全浮起階段。前端浮起時(shí)，是最后一個(gè)氣囊的受力最不利狀態(tài)，超過(guò)其最大承壓時(shí)，有可能爆裂，最后一排氣囊為2個(gè)12m氣囊，氣囊每米最大受壓57t，2個(gè)氣囊可受力1368t，故氣囊處于安全可控狀態(tài)。
         ②安裝封底托板
         為減小鋼套箱入水初期的吃水深度，6個(gè)分隔倉(cāng)底底部全部安裝封底托板。封底托板與鋼套箱的間隙不做焊接密封，除了可通過(guò)設(shè)置止水橡膠墊防止出現(xiàn)大范圍漏水，亦可作為氣囊托板，將鋼套箱的重量傳遞給氣囊。封底托板由8mm厚鋼板、I20b縱梁組成。鋼套箱內(nèi)壁及分倉(cāng)隔板上設(shè)置［20b縱梁牛腿，以免封底托板受浮力或氣囊作用時(shí)沿內(nèi)腔向上滑動(dòng)。
         封底托板通過(guò)鋼絲繩吊索懸掛于鋼套箱頂部，并在吊索上端設(shè)置浮標(biāo)，吊索通過(guò)手拉葫蘆拉緊封底托板。待分隔倉(cāng)內(nèi)加完水具備拖運(yùn)條件后，至指定區(qū)域解開(kāi)吊索，封底托板將自動(dòng)解除下沉。
         ③氣囊布設(shè)
         沿鋼套箱的兩側(cè)壁布設(shè)兩排氣囊，兩排氣囊之間用細(xì)鋼絲繩連接。每排11根氣囊，氣囊采選用直徑1.0m，長(zhǎng)度12.0m與5m結(jié)合，工作高度80cm。
         鋼套箱由氣囊組承托在坡道上，氣囊充氣前，需掛上前、后拉索，并拉緊后拉索，以免鋼套箱頂起后向前滑移導(dǎo)致支墩傾覆。當(dāng)鋼套箱與支墩分離后，拆除支墩，并將支承點(diǎn)等各處清理干凈，以免妨礙氣囊滾動(dòng)或損傷氣囊。
         ④ 起滑
         鋼套箱圍堰下水位置必需滿足其吃水深度，必要時(shí)可進(jìn)行疏浚處理，下水前打開(kāi)聯(lián)通孔，封閉水位孔。
         拼裝場(chǎng)地岸側(cè)設(shè)置制動(dòng)系統(tǒng)，布設(shè)2個(gè)地垅、2臺(tái)12t卷?yè)P(yáng)機(jī)、2套滑輪組，負(fù)責(zé)控制鋼套箱圍堰的溜放速度及制動(dòng)，布置在拼裝場(chǎng)后方。河對(duì)岸布設(shè)2臺(tái)10t卷?yè)P(yáng)機(jī)作為牽引系統(tǒng)，負(fù)責(zé)鋼套箱圍堰的前移和方向控制，卷?yè)P(yáng)機(jī)與鋼套箱的連接采用28mm的鋼絲繩。

圖3  鋼套箱解除封底托板示意圖
         當(dāng)氣囊完全托起鋼套箱圍堰且滑道清理完成后，平板駁通過(guò)10t卷?yè)P(yáng)機(jī)牽引前拉索，并緩慢放松后拉索，使鋼套箱圍堰緩慢前行，鋼套箱圍堰滑至入水口處停下，穩(wěn)定后將后制動(dòng)拉索自動(dòng)脫鉤器打開(kāi)，鋼套箱成功入水。
         ⑤定位、下沉
         鋼套箱圍堰完全下水后，將其靠泊至平板駁側(cè)面，解開(kāi)前、后拉索，向鋼套箱圍堰壁體內(nèi)注水，以增加鋼套箱圍堰浮運(yùn)時(shí)的穩(wěn)定性。
         鋼套箱圍堰由平板駁拖運(yùn)至安裝現(xiàn)場(chǎng)后，拋錨定位，并掛上岸側(cè)的調(diào)位索。通過(guò)平板駁及岸側(cè)調(diào)位索調(diào)整鋼套箱圍堰位置。
         鋼套箱圍堰安裝采用RTK定位測(cè)量，指揮平板駁移船位，使鋼套箱圍堰移至安裝點(diǎn)上，注水下沉，當(dāng)鋼套箱圍堰沉至距基床頂30~50cm時(shí)，停止注水。
         重新測(cè)量鋼套箱圍堰位置，通過(guò)岸側(cè)調(diào)位索調(diào)整鋼套箱圍堰位置，繼續(xù)注水下沉，邊監(jiān)測(cè)邊調(diào)整鋼套箱圍堰位置。
         鋼套箱圍堰底沉至距基床頂20~30cm時(shí)，停止注水，再次測(cè)量定位，然后加速注水，使鋼套箱圍堰坐落在基床頂上，座底重量控制在50T左右。測(cè)量檢查鋼套箱圍堰的平面位置，如不合格，抽水讓鋼箱離開(kāi)基床頂20cm，再重新安裝至合格。
         鋼套箱圍堰安裝好后，繼續(xù)向壁內(nèi)注水，直至注滿，注水過(guò)程監(jiān)測(cè)鋼套箱圍堰位置。鋼套箱圍堰穩(wěn)定后，掛上錨索并拉緊張固定，打開(kāi)所有水位孔。在鋼套箱圍堰頂部四個(gè)角設(shè)置沉降、位移觀測(cè)點(diǎn)，定期進(jìn)行沉降、位移觀測(cè)。同時(shí)在鋼套箱圍堰外角點(diǎn)設(shè)置防撞設(shè)施（如浮標(biāo)及夜燈）以防船舶撞擊。
         4結(jié)語(yǔ)
         鋼套箱下沉到位后經(jīng)測(cè)量，傾斜度、中心位置偏差、平面扭角等均完全滿足承臺(tái)施工的精度要求。鋼套箱氣囊浮運(yùn)施工解決了大型起重船舶無(wú)法施工的不利條件，同時(shí)為節(jié)約施工成本創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)類似工程具有借鑒意義。
         參考文獻(xiàn)
         [1]付林.流江河1#雙線特大橋深水樁基礎(chǔ)施工技術(shù)[J].鐵道建筑，2008(3)：10-11.